Diseno-de-un-sistema-de-calentamiento-de-agua-con-energa-solar-termica

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Facultad de Estudios Superiores Zaragoza 
“Diseño de un Sistema de Calentamiento de Agua con Energía Solar Térmica” 
Tesis para optar por el grado de: 
Licenciatura en Ingeniería Química 
Presenta: Jesus Heriberto Lara Juàrez 
Asesor: I.Q. Delfino Galicia Ramírez 
México, Ciudad de México, Septiembre de 2017 
 
 
Aprobó y Reviso 
 
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Índice 
1 Marco teórico ............................................................................................................... 1 
 El papel que juega la energía en la historia humana ............................................ 1 
 Definición de energía ........................................................................................... 2 
 Fuentes energéticas .............................................................................................. 4 
 Energía renovable ................................................................................................. 5 
1.4.1 Energía solar ................................................................................................. 6 
1.4.2 Energía eólica ............................................................................................... 8 
1.4.3 Energía geotérmica ....................................................................................... 9 
1.4.4 Energía hidráulica ....................................................................................... 10 
1.4.5 Biomasa ...................................................................................................... 11 
 Nuevas energías renovables ............................................................................... 13 
1.5.1 Fusión nuclear ............................................................................................. 13 
1.5.2 Energía oceánica ......................................................................................... 15 
1.5.3 Hidrógeno: .................................................................................................. 17 
 Aporte energético Solar ...................................................................................... 19 
 La medición de la energía del sol: la constante solar ......................................... 20 
 La radiación solar terrestre ................................................................................. 21 
 El clima solar en México .................................................................................... 22 
2 
 
 Panorama político para las energías renovables en Mexico ........................... 23 
1.10.1 La tecnología Solar en México................................................................ 25 
 Sistemas de calentamiento de agua caliente sanitaria (ACS) ......................... 26 
1.11.1 Equipo doméstico .................................................................................... 27 
1.11.2 Calentador Solar de Alto Consumo ......................................................... 29 
 Sistemas de captación solar térmica ............................................................... 31 
1.12.1 Tipología de captadores solares. ............................................................. 31 
1.12.2 Clasificación de las instalaciones solares térmicas ................................. 40 
1.12.3 Clasificación según el principio de circulación....................................... 41 
1.12.4 Sistema de expansión. ............................................................................. 43 
1.12.5 Sistema de intercambio de calor.............................................................. 45 
1.12.6 Tipos de sistema Auxiliar de energía. ..................................................... 47 
1.12.7 Clasificación según la aplicación. ........................................................... 49 
1.12.8 Dimensionamiento de un sistema de Agua caliente sanitaria (ACS). ..... 51 
1.12.9 Criterios generales del diseño hidráulico. .............................................. 52 
1.12.10 Diseño del sistema de intercambio de calor ............................................ 58 
1.12.11 Clasificación de los elementos de intercambio de calor. ........................ 58 
1.12.12 Diseño y cálculo del sistema de intercambio externo ............................. 63 
1.12.13 Sistemas de intercambio interno. ............................................................ 65 
1.12.14 El sistema de acumulación. ..................................................................... 66 
3 
 
1.12.15 Diseño del termotanque ........................................................................... 76 
 El subsistema de control ................................................................................. 78 
1.13.1 El sistema de control ............................................................................... 79 
1.13.2 El control de carga................................................................................... 80 
1.13.3 Requisitos del proyecto ........................................................................... 87 
1.13.4 Monitorización. ....................................................................................... 88 
1.13.5 Equipos de medida .................................................................................. 90 
 Seguridad en las instalaciones solares térmicas. ............................................ 93 
 Higiene en las instalaciones solares térmicas. ................................................ 95 
2 Objetivos .................................................................................................................... 97 
2.1 Objetivos generales ............................................................................................ 97 
2.2 Objetivos particulares ......................................................................................... 97 
3 Diseño del sistema ..................................................................................................... 99 
3.1 Cálculo de volumen de agua .............................................................................. 99 
3.1.1 Criterios de diseño del termotanque ........................................................... 99 
3.1.2 Selección del termotanque ........................................................................ 100 
3.2 Diseño del circuito principal ............................................................................ 104 
3.2.1 Cálculo de la cantidad de la demanda energética ..................................... 104 
3.2.2 Eficiencia del colector solar. ..................................................................... 105 
3.2.3 Cálculo del área de captación ................................................................... 108 
4 
 
3.2.4 Orientación e inclinación de colectores .................................................... 110 
3.2.5 Distancia entre colectores ......................................................................... 110 
3.2.6 Conexión del campo de colectores ........................................................... 110 
3.2.7 Distribución de los colectores en la azotea ............................................... 110 
3.2.8 Diseño de la tubería ..................................................................................111 
3.2.9 Cálculo y selección de la bomba ............................................................... 113 
3.3 Diagrama de flujo de proceso........................................................................... 120 
3.1.1 Descripción del proceso ............................................................................ 121 
3.2 Diagrama de tubería e instrumentación ............................................................ 121 
3.3 Filosofía de operación ...................................................................................... 124 
4 Análisis económico ................................................................................................. 126 
 Costo anual del gas ........................................................................................... 126 
4.1.1 Cotización del equipo ............................................................................... 128 
4.1.2 Retorno de inversión. ................................................................................ 131 
5 Huella Ecológica...................................................................................................... 133 
6 Conclusiones ............................................................................................................ 137 
Anexo 1. Insolación de México 𝑲𝑾𝒉 𝒅𝒊𝒂 ∙ 𝒎𝟐 .......................................................... 139 
Anexo2 Ficha técnica Heat Pipe .................................................................................... 140 
Anexo 3 Pérdida de carga en la tubería de Tuboplus .................................................... 141 
Anexo 4 Coeficientes de resistencia por accesorios de Tuboplus ................................. 142 
5 
 
Bibliografía .................................................................................................................... 144 
 
 
6 
 
Introducción 
Actualmente las grandes ciudades, entre ellas la ciudad de México, cuentan con altos 
niveles demográficos, esto ha disparado los niveles de contaminación, registrándose así los 
más altos en la historia de la humanidad, esto da como resultado problemas a la salud humana, 
la ecología y la economía, con un alza en los precios de los energéticos como gas, petróleo y 
electricidad. Si no hacemos algo los recursos naturales con los que generamos la energía, 
pronto se volverán escasos y en nuestra búsqueda por satisfacer esta demanda ocasionaremos 
daño irreparable a la vida del planeta. 
Sin embargo, hay una solución contamos con la tecnología que aprovecha un recurso 
limpio e inagotable que es la energía que proviene del sol. Es por esta razón que a lo largo 
de esta Tesis desarrollare un sistema para satisfacer la demanda de calentamiento de agua en 
Gimnasio que cuenta con el servicio de regaderas utilizando de manera eficiente tecnología 
de tubos colectores solares y que esté disponible a cualquier hora del día. 
 
1 
 
1 Marco teórico 
 El papel que juega la energía en la historia 
humana 
“Quizás el momento más decisivo para la humanidad haya sido el descubrimiento del fuego y 
gracias a él la humanidad comenzó a controlar y modificar muchos procesos que hasta ese 
momento dependían únicamente de la naturaleza. Desde entonces la energía ha sido un elemento 
decisivo para el progreso de las sociedades. 
 
Ilustración 1 Energía fotovoltaica y eólica en el mundo. 
Fuente:http://erecoambiental.com/2016/09/12/energia-solar-terrassa/ 
Durante la mayor parte de la historia de la humanidad la energía dependía de la naturaleza la 
fuerza de los animales y la fuerza humana para obtener servicios como luz, calor y trabajo. Fue 
hasta la revolución industrial que el sistema energético paso por dos transiciones energéticas con 
gran impacto, la primera fue la máquina de vapor que al ser alimentada por combustibles fósiles 
era capaz de generar mayor capacidad de trabajo que ninguna otra fuente energética hasta el 
2 
 
momento, además de que se podía utilizar prácticamente en cualquier parte del mundo ya que este 
tipo de combustible podía ser extraído y transportado. 
La segunda gran transición energética se dio gracias a dos factores muy importantes: el 
primero, la introducción de la electricidad para la conversión en energía térmica, luz o trabajo. El 
segundo factor de innovación fue el motor de combustión interna, el cual revoluciono los patrones 
de transporte individual y colectivo.” (Instituto de Investigaciones Legislativas del Senado de la 
Republica, 2004) 
El crecimiento de la población durante el siglo XX dio como consecuencia una mayor demanda 
de combustibles fósiles, aumentado así la contaminación en las ciudades, lo que ha llevado a la 
humanidad a desarrollar nuevas tecnologías que utilicen recursos renovables con bajo impacto 
ecológico. 
 Definición de energía 
La palabra energía viene del griego energos y significa actividad, trabajo. Todos utilizamos con 
frecuencia esta palabra, pero su definición no es sencilla; desde el punto de vista de la mecánica 
clásica, la energía es la capacidad de producir trabajo. Las principales fuentes para la generación 
de energía son: 
 Energía térmica 
 Energía luminosa 
 Energía química 
 Energía eléctrica. 
 Energía mecánica 
3 
 
 Energía solar 
 Energía nuclear 
 Energía geotérmica. 
 Energía mareomotriz 
 Energía hidráulica 
 Energía gravitacional. 
Muchos de estos tipos de energía se superponen entre si ya que son regidos por el fundamento 
de que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma. Ésta es la llamada ley de 
conservación de la energía. 
 
 
Ilustración 2 Ejemplo de la ley de conservación e la energía. Fuente: https://es.slideshare.net/shavo7/energa-cintica-y-
potencial 
Viéndolo desde el punto de la mecánica cuántica una, de las fórmulas más relacionadas con la 
energía es la desarrollada por Albert Einstein la cual relaciona la materia como una variación de 
la energía. 
4 
 
𝐸 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 
𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 
𝑐 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑢𝑧 (300,000
𝑘𝑚
𝑠
) 
Esta fórmula indica que la energía contenida en cualquier masa, incluso estando en reposo es 
el producto de la citada masa por la velocidad de luz al cuadrado, no obstante no tenemos la 
capacidad de medir la energía de forma absoluta, pero si podemos medir sus variaciones. Por 
ejemplo Si empujamos un bulto de 30 Kg y lo desplazamos 30m hemos necesitado cierta energía 
para realizar ese trabajo derivado de esta analogía podemos deducir que existen múltiples fuentes 
de energía. 
 Fuentes energéticas 
Son muchas las fuentes de energéticas que podemos aprovechar. Cada una de ellas tiene sus 
ventajas e inconvenientes, la clasificación más aceptada es la siguiente: 
Fuentes energéticas Renovables. Se caracterizan por ser abundantes (ejemplo: la energía 
solar), Son Poco dañinas o nada en absoluto para el medio ambiente, pero las tecnologías para su 
aprovechamiento están actualmente en desarrollo. Dentro de este grupo podemos citar La 
Biomasa, energía hidráulica, la energía Geotérmica, la eólica y la solar. 
Fuentes de energías no renovables. Llamamos fuentes de energía no renovable a aquellas que 
utilizan recursos finitos, además producen residuos dañinos para el medio ambiente, pero su 
tecnología, está ampliamente extendida. En este grupo podemos citar petróleo, gas natural, 
propano, el carbón y el uranio. Lo que no se sabía entonces es que con el tiempo habría escases 
de estos recursos así como problemas ambientales a nivel global por sus residuos. 
𝐸 = 𝑚𝑐2 (1) 
5 
 
La tesis solo se enfocara en las energías renovables y específicamente en energía térmica solar 
 Energía renovable 
Como ya se ha mencionado las fuentes de energía renovable como el viento, la biomasa o la 
hidráulica, son de fuentes continuas e inagotables, que con seguridad suplirán la energía que el día 
de hoy nos otorgan los hidrocarburos.Ilustración 3 las fuentes de energía renovables tienen poco o nulo impacto en el medio ambiente 
Fuente: http://www.habitatsustentable.com/?p=6162 
Estas son fuentes limpias e inagotables de recursos energéticos. No emiten gases contaminantes 
(𝐶𝑂2, 𝑁𝑂2 𝑆𝑂2) o lo hacen en concentraciones mucho menores que los combustibles fósiles 
(Petróleo, carbón, gas natural) y por tanto no generan residuos peligrosos. 
Se denomina energía renovable las que son de origen natural y pueden emplearse 
ilimitadamente, por dos razones: 
1. Su suministro es muy abundante (el sol por ejemplo) y prácticamente inagotable. 
6 
 
2. Las materias primas de las que provienen esas energías se pueden renovar, caracterizándose 
por un bajo impacto ambiental. 
Muchas de estas energías son inconstantes, como el viento o el sol, por lo que actualmente se 
están desarrollando tecnologías en distintas áreas para que no solo dependamos de una como es el 
caso del petróleo y sus derivados 
1.4.1 Energía solar 
La principal fuente de energía renovable es la radiación solar la cual puede convertirse en calor 
o electricidad mediante diversas tecnologías. 
Es la base de las demás energías, sin sol no existiría 
vida, se calcula que al sol todavía le quedan unos 5000 
millones de años de vida en los que seguirá 
suministrando energía a nuestro planeta. La energía 
solar, como veremos más adelante se utiliza sobre todo 
para producir electricidad y agua caliente, calefacción 
de edificios, piscinas etc. Directamente la energía solar 
se podría clasificar en dos grandes grupos: energía 
Fotovoltaica y Termosolar. 
Sin embargo, no es un recurso el cual podamos obtener las 24 horas ya que es un recurso 
intermitente astronómicamente y climatológicamente. Su intensidad varía en el transcurso del día 
debido a la rotación de la tierra. 
Ilustración 4 Imagen generada por ordenador del Sol 
Imagen descargada: http://ambiental104.rssing.com/chan-
25118639/all_p5.html 
7 
 
1.4.1.1 Energía fotovoltaica 
 La energía fotovoltaica que se basa en el principio del efecto fotoeléctrico descrito en el trabajo 
de Albert Einstein, que básicamente describe como un fotón al incidir sobre la superficie de un 
metal, éste liberará un electrón, esta energía puede ser captada en forma de corriente eléctrica 
directa y transformada en corriente alterna para el suministro de electricidad de un hogar o 
industria. Actualmente la tecnología que aprovecha este tipo de energía es llamada paneles 
fotovoltaicos el cual consiste en un módulo de celdas solares las cuales están dispuestas en una 
superficie para captar el sol. 
 
Ilustración 5 Paneles solares fotovoltaicos. 
Fuente: http://www.renewableenergyworld.com/articles/2016/08/the-way-forward-for-solar-pv-in-the-uk.html 
1.4.1.2 Energía Termosolar. 
La energía solar térmica o energía Termosolar consiste en el aprovechamiento de la energía del 
Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de 
agua caliente destinada al consumo doméstico de agua, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, 
o para producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente 
puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en 
lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los locales. 
8 
 
 
Ilustración 6 SkyTrough de Sky Fuel utiliza ReflecTech Mirror Film, una película de polímeros plateados para concentradores 
solares. 
Imagen descargada de: http://www.renewableenergyfocus.com/view/3272/innovation-in-concentrating-thermal-solar-power-
csp/ 
Los dispositivos que se utilizan para transformar la radiación del sol en energía térmica se les 
conoce con el nombre de “Colectores Solares Térmicos” y están clasificados como colectores de 
baja, media y alta temperatura. Los colectores de baja temperatura generalmente son placas planas 
usadas para calentar agua. Los colectores de temperatura media también usualmente son placas 
planas usadas para calentar agua o aire para usos residenciales o comerciales. Los colectores de 
alta temperatura concentran la luz solar usando espejos o lentes y generalmente son usados para la 
producción de energía eléctrica. 
1.4.2 Energía eólica 
 Es la energía procedente del viento, actualmente se emplea sobre todo para producir 
electricidad. Para ello se disponen parques eólicos con modernos molinos de viento. También se 
9 
 
pueden colocar pequeños molinos eólicos en casas, granjas o edificios aislados. Para producir la 
energía que necesitan en forma de electricidad. 
 
1.4.3 Energía geotérmica 
La palabra “Geotérmica”, deriva de geo que significa tierra y térmica que significa calor. Para 
ello geotermia es la ciencia encargada de estudiar las variaciones de temperatura en el interior de 
la tierra. Así se puede definir como la energía que proviene del interior de la tierra. Como podemos 
observar la temperatura de la tierra va aumentando conforme nos vamos acercando a su centro. 
 
Ilustración 8. Gracias al calor de la Tierra, que 
alcanza aproximadamente 4000 grados Celsius en el 
núcleo, se produce energía geotérmica. Imagen 
descargada 
de:http://www.fotovoltaicosulweb.it/guida/energia-
geotermica-cresce-il-numero-di-impianti-
italiani.html 
 
Ilustración 7 Energía eólica: Imagen descargada de: http://expansion.mx/opinion/2012/06/27/la-
economia-mexicana-se-pone-verde 
10 
 
Sus aplicaciones directas están en balnearios o para beber dadas sus propiedades terapéuticas; 
Agricultura para calentar invernaderos; Acuicultura donde se puede utilizar para regular la 
temperatura del estanque de los peces 
1.4.4 Energía hidráulica 
La forma más común de hidroelectricidad consiste en el aprovechamiento de la energía 
potencial al embalsar un rio, debido a la diferencia de alturas se tiene una alta presión que es 
conducida hacia una turbina hidráulica, desarrollando en la misma un movimiento giratorio que 
acciona un alternador donde se genera una corriente eléctrica. 
 
Ilustración 9. Partes de una turbina hidráulica 
Imagen descargada de:http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinas-hidraulicas.html. 
Todas las plantas hidroeléctricas utilizan agua pluvial como recurso renovable de energía, sin 
embargo la construcción de las cortinas que tienen más de 15 metros de altura, por lo general 
generan ciertos impactos ambientales y sociales debido a la gran superficie que ocupa el embalse 
y la necesidad de reubicar la población desplazada. Debido a estos inconvenientes ambientales y a 
los altos costos que implica mitigar estos impactos la opción de construir una hidroeléctrica es cada 
vez menos recurrente. 
11 
 
 
Ilustración 10 Funcionamiento de una central Minihidráhulica 
Imagen descargada de: http://fisica1prepacl.blogspot.mx/2016/05/plantas-hidroelectricas-las-plantas.html 
En cambio las pequeñas centrales hidroeléctricas debido a su menor tamaño generan menos 
impacto ambientales, y dado a sus beneficios sociales que incluyen la prevención de inundaciones, 
la disponibilidad de agua para riego y uso doméstico. 
1.4.4.1 Potencial hidráulico. 
“El potencial Minihidráhulico mundial estimado es de 1030 TWh, lo que equivale a 7 veces la 
producción de CFE en el año de 1995, donde América Latina participa con el 17% y México con 
11.38 TWh, equivalentes al 1.1% del potencial mundial y la tercera parte de lo que se produce 
actualmente con las centrales hidroeléctricas” (Instituto de Investigaciones Legislativas del Senado 
de la Republica, 2004) 
1.4.5 Biomasa 
La podemos definir como cualquier material orgánico (animal o vegetal) que almacena energía 
utilizable. A su vez la energía que acumula la biomasa tiene origen en el sol. Efectivamente por el 
proceso llamado fotosíntesis, las plantas absorben a través de unas células llamadas cloroplastos,12 
 
que contienen una sustancia llamada clorofila, que es un pigmento que absorbe la energía luminosa 
del sol, en el cual las plantas absorben los fotones o energía lumínica del sol. Las plantas, en la 
fotosíntesis, también toman el agua del suelo y el 𝐶𝑂2 de la atmósfera, Es decir que las plantas 
purifican la atmósfera. Y la energía de esta biomasa puede ser liberada de dos maneras, una por 
combustión directa que es cuando quemamos madera y hojas o de forma indirecta, como es el caso 
del mosto de la uva que mediante la acción de levaduras se transforma en alcohol. Cabe decir que 
el carbón mineral y el petróleo a pesar de ser de origen orgánico no se consideran fuentes 
renovables ya que para su generación se necesitaron millones de años a comparación de madera o 
el mosto de la uva que tienen procesos relativamente cortos. 
 
Ilustración 11 Ciclo de la biomasa 
 Imagen descargada de: https://thinkbigjovenes.fundaciontelefonica.com/proyectos/biomass-renewable-energy 
 
 
https://thinkbigjovenes.fundaciontelefonica.com/proyectos/biomass-renewable-energy
13 
 
 Nuevas energías renovables 
Además de las fuentes de energía renovable ya descritas en la sección anterior, existen 
tecnologías en etapa de desarrollo. A continuación mencionaremos las más prometedoras. 
1.5.1 Fusión nuclear 
Esta técnica consiste en tomar átomos ligeros como el deuterio y tritio (isotopos de hidrógeno) 
para formar otro más pesado de litio con liberación de energía que de hecho supera a la fusión 
nuclear, produciendo hasta 4 veces más energía. Para explicar este fenómeno existen dos teorías: 
La fórmula de Einstein 𝑬 = 𝒎𝒄𝟐. La masa de los núcleos de deuterio y del tritio al reaccionar 
da un núcleo de helio de menor masa. Esa masa liberada es la que se transforma en energía según 
la fórmula de Einstein. 
Cambio en la energía potencial. Volviendo a la reacción de deuterio y tritio son dos isotopos 
inestables de hidrógeno, de alta energía potencial. Sin embargo al otro lado de la fórmula tenemos 
al helio que es un átomo estable de baja energía potencial. Es decir, hemos pasado una situación 
de una forma de alta energía potencial a otra de baja. 
14 
 
 
Ilustración 12 Reactor de fusión Nuclear. Imagen descargada de: https://www.iter.org/mach 
“ITER ("El camino" en latín) es uno de los proyectos energéticos más ambiciosos del mundo de 
hoy. 
En el sur de Francia, 35 naciones colaboran para construir el Tokamak más grande del mundo, 
un dispositivo de fusión magnética que ha sido diseñado para demostrar la viabilidad de la fusión 
como fuente de energía a gran escala y libre de carbono, basada en el mismo principio que alimenta 
nuestro Sol.” (ITER, 2016). 
Esta tecnología está en estudio y probablemente se podrá en práctica hasta dentro de 20 años, 
en el mejor de los casos se trata de funcionar átomos de hidrógeno, en cuya reacción se libera una 
cantidad enorme de energía, sin problemas de radiactividad como ocurre ahora en las centrales 
nucleares. Actualmente se ha invertido en proyectos como El ITER donde apenas se logrado esta 
reacción por un segundo en un reactor Tokamak, el cual usa campos electromagnéticos y rayos 
laser para controlar el plasma que se desprende la reacción. 
15 
 
1.5.2 Energía oceánica 
La energía del océano se manifiesta al menos de dos maneras: como energía mecánica y energía 
térmica la energía mecánica se presenta en forma de olas y marea y la energía estará en función de 
la cantidad de agua desplazada del nivel medio del mar que a su vez depende del viento y el tiempo 
que está en contacto con él. “El potencial estimado de las olas que rompen las costas del mundo 
es del orden de 2000 a 3000 GW” (Instituto de Investigaciones Legislativas del Senado de la 
Republica, 2004). 
 
Ilustración 13 Funcionamiento de un central eléctrica Mareomotriz. 
 Imagen descargada de: https://ecoinventos.com/primer-proyecto-de-energia-mareomotriz-lago-artificial/ 
Las mareas se forman de la atracción gravitacional del sol y la Luna y de la rotación de la Tierra. 
Como puede apreciarse en ilustración 13 la energía de las mareas se deriva de la energía cinética 
del agua moviéndose de una localización más alta a una más baja. Al agua de las mareas se suelen 
16 
 
embalsar y para convertirla en electricidad se le deja salir a través de turbinas que activan un 
generador eléctrico. 
 
Ilustración 14 Ejemplo de cómo podría ser un motor termodinámico utilizando la diferencia de temperaturas entre la superficie 
del océano y el fondo. 
Imagen descargada de: http://www.dforcesolar.com/energia-solar/energia-termica-oceanica/ 
Energía oceánica térmica (OTE). Debido a que los océanos cubren más de un 70% de la 
superficie terrestre, los hace colectores solares más grandes del mundo. La energía térmica 
oceánica se basa en la diferencia de temperatura que existen en mares tropicales y subtropicales 
entre el agua tibia de la superficie y el agua fría de las profundidades, a unos 1000 metros de 
profundidad la diferencia de temperaturas es de unos 20°C mínimo. La energía térmica oceánica 
en su totalidad es uno o dos órdenes de magnitud más alta que otras fuentes de energía oceánica 
(es decir podemos obtener más energía), como la energía de mareas, pero las pequeñas diferencias 
de temperatura hacen que la extracción de energía sea más difícil y costosa. “En sus inicios esta 
energía térmica tenía una eficiencia de máximo el 3% muy por debajo del 7% que en teoría 
podemos obtener. En teoría los dispositivos que podrían ayudarnos a utilizar este tipo de energía 
son los motores termodinámicos” (Mundo Solar, 2012). 
17 
 
Un motor de termodinámico es un dispositivo que utiliza la diferencia de temperaturas que 
existen a distintas profundidades en el océano, conforme el calor fluye de un lado para el otro, el 
motor convierte esta energía del calor en energía útil. Este principio es usado en turbinas de vapor 
y motores de combustión interna. Pero a diferencia de tener que quemar un combustible como en 
el motor de combustión, la OTE obtiene la energía de la diferencia de temperaturas. 
Hoy en día ya se está trabajando en el diseño final de una planta de 10 MW de energía térmica 
oceánica en Hawái. 
1.5.3 Hidrógeno: 
 El hidrógeno es el elemento químico más abundante del universo, al quemarse solo produce 
energía y agua por lo que es el combustible más limpio que existe, además es fácil de transportar 
y producir. 
La producción de hidrógeno se obtiene de la disociación del agua con electrolizadores 
alimentados con celdas solares fotovoltaicas, generadores eólicos, pequeñas hidroeléctricas 
geotérmicas, etcétera. El hidrógeno también puede ser producido por la gasificación de la biomasa. 
Otra novedosa forma de producir biohidrógeno que se encuentra en plena etapa de investigación 
se presenta a través de algas o bacterias que lo sintetizan al digerir residuos orgánicos, 
preferentemente agrícolas. 
El hidrógeno puede ser utilizado para producir electricidad mediante la tecnología de celdas de 
combustible, donde paradójicamente el hidrógeno no se quema sino que produce una corriente 
eléctrica y agua, cuando produce una reacción química en presencia de oxígeno. 
18 
 
 
Ilustración 15 Producción y uso de hidrógeno con una celda de combustible. 
Imagen descargada de: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia16/HTML/articulo05.htm 
El hidrógeno se puede comprimir y almacenar en tanques por horas, días, e incluso por varios 
meses hasta que se le necesite. El hidrógeno representa energía almacenada. El hidrógeno se puede 
quemar como cualquier combustible para producir calor, impulsar un motor, o producir electricidad 
en una turbina. Pero la celda de combustible es una manera más limpia y más eficiente de utilizar 
el hidrógeno. 
 
 
 
 
 (Engel, 2000) Explica su funcionamiento: “La celda de combustible recombina el hidrógeno y 
el oxígenopara producir energía eléctrica. El único subproducto es agua pura. En otras palabras, 
Ilustración 16 Corte transversal de una celda combustible de membrana de intercambio protónico 
Imagen descargada de:http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia16/HTML/articulo05.htm 
19 
 
la celda de combustible es como un electrolizador funcionando al revés. La agrupación de la celda 
de combustible, el electrolizador, el almacenaje de hidrógeno y la fuente de energía renovable 
constituyen el “ciclo de hidrógeno renovable. Este ciclo se convertirá en el corazón y el alma de 
nuestra economía energética del futuro, tal vez durante todo el período de nuestras vidas.” 
 Aporte energético Solar 
Enfocándose en el panorama actual, una de las tecnologías más desarrolladas es la energía solar 
pero debemos hacernos las preguntas ¿Qué es el sol? ¿De verdad proporciona suficiente energía? 
La energía irradiada por el sol procede de la fusión de átomos de deuterio para dar átomos de 
helio. En un segundo el sol produce más energía que la consumida por la humanidad en toda la 
historia. Una parte de esta energía llega en forma de radiación electromagnética. La tierra recibe 
en el exterior de su atmósfera una potencia de1.73 × 1014 kilowatts. Bajo la perspectiva humana, 
la fuente energética solar puede considerarse como inagotable. 
Su origen, al igual que la Tierra, fue un conjunto de gases incandescentes que al girar 
vertiginosamente provocó que los gases más pesados se fueran al centro y los más livianos al 
exterior. Su energía procede de la fusión de átomos de hidrógeno a átomos de helio. Pequeños 
cambios en las propiedades físicas del Sol pueden tener, y de hecho han tenido, efectos enormes 
en el clima y la vida en nuestro planeta. 
Este gran astro se formó aproximadamente hace 4,650 millones de años y podemos decir que 
tiene combustible para 5,000 millones más. Actualmente el Sol se encuentra en la fase de plena 
actividad, en la que seguirá quemando hidrógeno de manera estable unos 5,000 millones de años 
más. Este astro nos ofrece una gran cantidad de energía día a día la cual a partir de desarrollo de 
20 
 
tecnología hemos podido aprovechar en forma de energía fotovoltaica, termosolar, eólica, entre 
otras. 
 La medición de la energía del sol: la constante solar 
La combinación de tres factores: la distancia de la tierra al sol, el diámetro solar y la temperatura 
del sol, determina un flujo luminoso. Por tanto, El flujo luminoso, que es en realidad un flujo de 
energía, tiene unidades de energía por unidad de área por unidad de tiempo ejemplo: 𝐽/𝑠 ∙ 𝑚2 
equivalentes a 𝑊/𝑚2. 
Mucho se ha discutido acerca de si el sol emite un flujo de energía constante, o si trata de una 
estrella variable. Algunos estudios parecen indicar que la variación de la emisión de energía, por 
parte del sol, es menor al 1% a lo largo del ciclo solar que dura 22 años. No se conoce a ciencia 
cierta la causa de estas variaciones. 
Sin embargo para su aplicación en el campo de la ingeniería, la emisión de energía puede 
considerarse constante. Esto ha dado lugar a la definición de la llamada constante Solar, 𝐺𝑠𝑐, es el 
flujo de energía proveniente del sol que incide sobre una superficie perpendicular a la dirección 
de propagación de la radiación solar, ubicada a la distancia media de la tierra al Sol, fuera de 
toda atmósfera. “El valor normalmente aceptado equivale a: 
𝐺𝑠𝑐 = 1,353 𝑊/𝑚
2 (2) 
Que en otras unidades equivale a: 
Estos datos fueron aceptados por la NASA (1971) y por la ASTM” (Fernandez , 2010) 
𝐺𝑠𝑐 = 1.940 𝑐𝑎𝑙/(𝑐𝑚
2 𝑚𝑖𝑛) = 428 𝑏𝑡𝑢/(〖𝑓𝑡2〗 ℎ𝑟) = 4.82 𝑘𝑗/(𝑚2 ℎ𝑟) (3) 
21 
 
 La radiación solar terrestre 
La radiación que llega directamente del sol es denominada radiación directa, la radiación 
reflectiva que es previamente absorbida y reflejada por una superficie y se define como radiación 
difusa, a la que se presenta en días nublados. Ambos tipos de radiación se reflejan en todas las 
superficies en las que incide dando lugar a la radiación reflejada. 
 
Ilustración 17 Las zonas más oscuras son las que tienen mejor insolación en el planeta y por tanto son más aptas para la 
captación de energía solar. Fuente: (Instituto de Investigaciones Legislativas del Senado de la Republica, 2004) 
La radiación solar global es la suma de los tres tipos antes citados, directa, difusa y reflejada y 
es la que podemos aprovechar para transformación térmica. 
 Las proporciones de radiación directa, dispersa y la reflejada dependerán de: 
 Condiciones meteorológicas. 
 De la inclinación de la superficie respecto al plano horizontal 
 De la presencia de una superficie reflectante 
22 
 
“La energía solar que puede ser absorbida por una superficie dependerá de la inclinación que está 
tenga, ya que si esta tiene una inclinación perpendicular a los rayos del sol, ésta tendrá mayor 
absorbancia. En el caso de la Ciudad de México es de 23.5° permitirá maximizar la energía 
recogida” (Instituto de Investigaciones Legislativas del Senado de la Republica, 2004) 
“Si llamamos a la radiación directa 𝐼𝐷, a la dispersa 𝐼𝑆 y a la reflectante 𝐼𝑅, entonces resulta que 
la radiación total 𝐼𝑇 que incide sobre una superficie es: 
” 
(Fernandez Salgado, 2010) 
 El clima solar en México 
Cuando la tierra se encuentra a una distancia media del sol (150 millones de kilómetros), en el 
tope superior de la atmósfera terrestre inciden aproximadamente 1,353 𝑊 𝑚2⁄ de irradiación solar, 
que al llegar a la superficie se ven disminuidos sensiblemente por efecto de los componentes 
atmosféricos como el vapor de agua, CO2, partículas sólidas suspendidas y principalmente las 
nubes, de ahí que la nubosidad pueda ser estimada para la irradiación total o global, así llamada 
porque comprende tanto la difundida por la atmósfera como aquella que llega directamente del sol 
sin sufrir modificaciones sustanciales. 
Con todo lo anteriormente mencionado, podemos concluir que no todo el planeta tiene la misma 
radiación, si dividimos el planeta en 6 zonas de insolación casi todo México se encuentra en la 
segunda zona de mayor insolación 
𝐼𝑇 = 𝐼𝐷 + 𝐼𝑆 + 𝐼𝑅 (4) 
23 
 
 
Ilustración 18.La energía Solar en México. 
Imagen descargada de http://mecmex.com/la-proyeccion-termica-para-la-energia-solar/ 
La zona más soleada (en promedio anual) es el noroeste del país; un poco menos pero con 
valores altos, el pacifico sur, la península de Yucatán y el golfo de México; las cantidades 
francamente bajas se ubican al este de la sierra madre oriental, donde casi todo el año incursionan 
fenómenos provocadores de nublados, principalmente los vientos alisios del verano, los nortes en 
el invierno y las brisas marinas que ocurren casi todo el año. 
“La energía solar que se recibe en un día en un cuadrado de 28 km por lado situado en el 
desierto de Sonora y cubierto de celdas solares con un 10% de eficiencia, satisfacería la demanda 
promedio diaria actual de la energía eléctrica de todo México que es de 550 GWh/día” (Instituto 
de Investigaciones Legislativas del Senado de la Republica, 2004) 
 
 Panorama político para las energías renovables en 
Mexico 
En México existe un vacío legal a pesar de que las energías renovables se encuentran 
contempladas en programas sectoriales, debido a que no existe una ley que regule específicamente. 
24 
 
Para analizar y plantear estrategias nacionales sobre energías renovables, la Secretaria de 
Energía (SENER) se ha apoyado en la Comisión Nacional para el Ahorro de energía, (CONAE) 
que a su vez estableció desde hace más de 12 años con la Asociación Nacional de Energía Solar 
(ANES) y juntas has operado el Consejo para el Fomento de las Energías Renovables (COFER), 
al cual concurren reconocidos especialistas del sector público y privado y en cuyo contexto se han 
organizado media docena de foros públicos sobreasuntos relacionados con la promoción de 
energías renovables. 
El documento normativo más importante y reciente en lo que respecta a las fuentes de energías 
renovables es el Programa Nacional de Energía 2001-2006 SENER 2002. En él está contenida la 
visión general del sector energético la cual fue enfatizada una amplia promoción del uso de 
fuentes alternas de energía. 
“Para lograr sus propósitos, el programa establece diversos principios rectores de la política 
energética, entre los que destaca el uso de las fuentes renovables de energía para lograr promover 
el crecimiento económico del país, proteger el medio ambiente y permitir el desarrollo sustentable 
en el largo plazo para los Mexicanos. Dentro de este propósito se establece promover el uso 
sustentable de los recursos naturales. Para esto se requiere de un marco de concentración y 
participación del sector público, privado y social, que facilite el aprovechamiento de vastas 
oportunidades que ofrecen las energías renovables ya que las tecnologías que hacen posible su 
aprovechamiento siguen en constante evolución para que sus costos se reduzcan” (Instituto de 
Investigaciones Legislativas del Senado de la Republica, 2004). 
Bajo esta perspectiva, el programa plantea que se desarrollaran estrategias orientadas a 
promover la explotación de todas y cada una de las oportunidades técnicamente posibles y 
económicamente rentables, tanto del lado de la oferta como de la demanda. 
25 
 
Para hacer realidad estos objetivos y acciones que den manera particular para las fuentes 
renovables de energía se presentan a continuación: 
 Precios de la energía que además de sus costos, reflejen aquellos asociados a su impacto 
ambiental. 
 Programas nacionales regionales de aprovechamiento de energías renovables en el 
mediano y largo plazo acordes a los cambios estructurales del sector energético. 
 Una base normativa para poder promover las energías renovables. 
 Programas permanentes para la formación de profesionales certificados en energías 
renovables. 
 Un sistema nacional de evaluación, registro y difusión de los recursos energéticos 
renovables. 
 Mecanismos de apoyo financiero para proyectos de energía renovable. 
 Recursos para la investigación básica en energías renovables. 
 Vinculación activa y permanente, bilateral y multilateral de instituciones mexicanas con 
organismos internacionales similares en otros países. 
Por parte en el periodo de 2001 -2006 se pretende duplicar la utilización de energía renovable 
en comparación con la utilizada en el año 2000. En particular se pretende instalar 1000 MW 
adicionales al programa de expansión de CFE, basados en energías renovables como Solar, Viento 
Minihidráhulica, Geotérmica, y Biomasa. 
1.10.1 La tecnología Solar en México 
Los recursos energéticos renovables en México, particularmente la energía solar, que es 
abundante, no ha tenido la atención y consecuentemente el desarrollo suficiente como para poder 
26 
 
reconocerlas como alternativas de uso generalizado en la época actual. A esto ha contribuido por 
una parte, que las diferentes administraciones del gobierno federal no han establecido claramente 
una política del uso de las fuentes alternas de energía. De la misma manera no ha existido un 
programa de educación, capacitación y promoción, en este campo, salvo lo que las propias 
instituciones educativas o los organismos no gubernamentales y asociaciones civiles, promueven 
como parte de sus objetivos fundamentales; por otra parte, cabe señalar que los costos de 
fabricación, instalación y en general del desarrollo tecnológico que estos usos requieren tampoco 
han estado a un nivel competitivo con las fuentes convencionales. Afortunadamente el estado de 
las cosas está cambiando y se puede distinguir claramente tres líneas de acción, que pueden 
contribuir a un uso diversificado de las fuentes energéticas con que cuenta México. 
 Sistemas de calentamiento de agua caliente 
sanitaria (ACS) 
En el presente trabajo nos centraremos en los sistemas de calentamiento de agua, para consumo 
humano o mejor conocida como agua caliente sanitaria (ACS). Actualmente, las tecnologías que 
utilizan la energía solar para calentar el agua son los calentadores solares, que ya sean para uso 
doméstico o establecimientos que requieran altos volúmenes de agua (como en hoteles gimnasios 
o la industria), están constituidos por un sistema de captación y un sistema de acumulación: 
 Sistema de captación: Es el dispositivos a partir del cual podemos transformar la 
radiación solar en energía térmica para calentar el agua 
 Sistema de acumulación: Es un tanque aislado térmicamente para mantener el agua 
caliente y repartirla hasta los puntos de consumo final. 
27 
 
1.11.1 Equipo doméstico 
Los calentadores solares de agua domésticos son sistemas que almacenan volúmenes de entre 
100 hasta 300 litros de agua caliente cuya temperatura varia por diversos factores como condiciones 
climatológicas, y el consumo de agua, por lo que en promedio el agua estará entre 45 a 95° C. 
Los equipos domésticos con mayor presencia en el mercado se pueden clasificar en dos grandes 
grupos, el primero es aquellos que utilizan panel solar de tubos y el otro es los que utilizan un 
sistema de captación plano, cuyo funcionamiento será explicado a mayores rasgos en siguientes 
puntos en la tesis, pero tienen ciertos puntos en común: 
 Ambos tienen un suministro de agua que funciona por gravedad (tinaco). 
 Funcionan por convección natural, es decir no utilizan ningún dispositivos que mejore 
el intercambio de calor entre el depósito y el sistema de captación 
 No cuentan con un sistema de calentamiento alternativo, en caso de que el agua baje su 
temperatura por debajo de 45° que es la recomendada para consumo humano. 
28 
 
 
 
Básicamente el funcionamiento de una instalación es el siguiente: 
 
Ilustración 20 partes y funcionamiento de un sistema de calentamiento solar casero 
Imagen descargada de: http://hidalgreen.com/calentador-solar 
 Captación de energía radiante para transformarlas directamente energía térmica, con el 
aumento de temperatura de un fluido de trabajo. 
Ilustración 19 A la izquierda tenemos un sistema con colectores solares de tubos y a la derecha un sistema con colector solar 
plano. 
29 
 
 Almacenamiento de dicha energía térmica, bien en el mismo fluido de trabajo de los 
colectores, o bien transferida al agua de consumo por su posterior utilización. 
Estas funciones se pueden complementar con la producción de energía térmica mediante un 
sistema convencional. 
 
1.11.2 Calentador Solar de Alto Consumo 
Un calentador solar de alto consumo, es una instalación de agua caliente sanitaria ACS que 
utiliza principalmente energía solar para calentar el agua, pero que tiene ciertas diferencias 
respecto a una instalación domestica: 
 El sistema de captación no está directamente conectado al termotanque, por lo que necesitan 
una bomba reciruladora que haga fluir el agua del termotanque a los paneles y regresarla 
caliente, a esta parte se le denomina circuito primario. 
 Los modelos comerciales regularmente utilizan tanques térmicos de 600 hasta 10,000 litros 
de agua, que también cuentan con un sistema de calentamiento alterno a esto se le denomina 
circuito secundario 
30 
 
 
Ilustración 21 Instalación solar térmica típica, a la izquierda dentro del recuadro rojo esta el circuito primario y a la derecha 
dentro del recuadro azul se encuentra el circuito secundario 
Imagen descargada de: https://www.caloryfrio.com/calefaccion/calderas/calderas-myto-condens-de-manaut-funcionamiento-
e-informacion-tecnica.html 
 
Un equipo solar de alto consumo comúnmente está constituida de: 
 Un sistema de captación formado por uno o varios captadores que transforma la radiación 
incidente en energía térmica de forma que secalienta el fluido de trabajo que ellos 
contienen. 
 Un sistema de acumulación constituido por un depósito que almacena el agua caliente hasta 
que se precisa su uso 
 Un sistema de intercambio que realiza la transferencia de energía entre el circuito primario 
y el circuito secundario. Aunque también se puede prescindir del intercambiador de calor, 
ya que el agua puede ser calentada al ser circulada en el circuito primario y ser almacenada 
directamente en el termotanque. 
31 
 
 Un circuito hidráulico constituido por tuberías, bombas, válvulas, etc. Que se encarga de 
conducir el movimiento de fluido caliente desde el circuito primario al circuito secundario 
y de aquí hasta los puntos de consumo como regaderas y lavabos. 
 Un sistema de regulación y control que fundamentalmente se encarga de asegurar el 
correcto funcionamiento del equipo para proporcionar un adecuado servicio de agua 
caliente y aprovechar la máxima energía solar térmica posible, por otro lado, puede 
incorporar distintos elementos de protección de la instalación. 
 Finalmente los equipos suelen disponer de un sistema de energía auxiliar que se utiliza 
para completar el aporte solar suministrado la energía necesaria para cubrir la demanda 
prevista, garantizando la continuidad de suministro de agua caliente en los casos de escasez 
radiación solar o consumo superior al previsto. 
A partir de los siguientes puntos ahondaremos en cada una de las partes por las que esta 
constituido un sistema de alto consumo. 
 Sistemas de captación solar térmica 
Un colector solar es un tipo especial de intercambiador de calor que transforma la radiación 
solar en energía térmica utilizable, se basa en la captación de energía mediante cuerpos expuestos 
a la radiación, preferentemente de color oscuro con el fin de mejorar la conversión de energía 
lumínica a energía térmica 
1.12.1 Tipología de captadores solares. 
Una primera clasificación podría establecerse en función del tipo de cubierta que incorpore el 
captador solar, distinguiendo entre captadores vidriados y no vidriados. 
32 
 
1.12.1.1 Los captadores no vidriados: 
Son aquellos que no presentan cubierta que aísla el captador plano del exterior. Por tanto, las 
pérdidas de calor en estos captadores serán elevadas, siendo indicado su uso en aplicaciones de 
muy baja temperatura, como el calentamiento de piscinas al aire libre. Usualmente, están 
disponibles en el mercado en forma de mantas de polipropileno. 
 
Ilustración 22 Mantas de polipropileno para calentamiento de piscinas. 
Imagen descargada de http://www.temperatupiscina.cl/paneles-solares/ 
1.12.1.2 Captador solar plano. 
Los captadores solares planos, son un claro ejemplo de captadores solares vidriados los cuales 
generalmente tienen una cubierta de cristal, que propicia que en su interior el efecto invernadero 
En los captadores solares planos, el agua es calentada cuando circula por el interior de los 
captadores, a través de un circuito interno formado por tuberías o por los huecos que dejan entre si 
un par de placas electro soldadas. 
33 
 
 
Ilustración 23 Colector solar plano vidriado 
Imagen descargada de: http://www.energiasolar.lat/colector-solar-plano/ 
El principio físico que rige la trasferencia de calor en el interior de los captadores solares 
vidriados es el efecto invernadero, que tiene lugar cuando la radiación solar incidente atraviesa la 
cubierta transparente del captador y queda atrapada en el interior. De este modo, cuando la mayor 
parte de la radiación atraviesa el vidrio, una parte es reflejada por la placa absorbedora, volviendo 
a incidir sobre el vidrio. Es un efecto parecido a cuando un auto que está en el sol con las ventanas 
cerradas quede expuesto en la radiación solar 
34 
 
1.12.1.3 Panel solar de tubos. 
El segundo ejemplo de captadores solares vidriados, es el panel solar de tubos, el cual esta 
definido por acoplar un conjunto de tubos aislados al vacío que calientan un fluido al cual 
denominaremos “fluido de trabajo”, con un intercambiador de calor que se encuentra en la parte 
superior del sistema. 
 
Ilustración 24 Colector solar de tubos de vacío 
Imagen descargada de: http://www.solarwaterheater.fr/2-6-u-pipe-solar-collector.html 
 Intercambiador de calor: El intercambiador de calor está en la parte superior del sistema 
de captación, su función consiste en que el fluido, que es calentado en los tubos, transmita 
el calor hacia el fluido que se desea calentar que en este caso es ACS. También cabe decir 
que todo el sistema es sostenido por una base la cual proporciona la inclinación adecuada 
para la captación de los rayos de sol para el sistema para el sistema, tal como podemos 
observar en la imagen la parte superior de color negro es el intercambiador de calor. 
 
http://www.solarwaterheater.fr/2-6-u-pipe-solar-collector.html
35 
 
 
Ilustración 25 Intercambiador de calor del colector solar estilo Heat Pipe 
Imagen descargada de: http://www.interempresas.net/Energia/FeriaVirtual/Producto-Colector-solar-de-tubo-vacio-
Kingspan-Solar-DF100-72298.html 
 
 Tubos colectores al vacío: Estos conforman el componente clave en cuanto a la captación 
de rayos solares se refiere, su eficacia es gracias a un doble tubo, separado por un vacío, el 
tubo interior está recubierto con nitrato de bario lo que permite que absorba hasta un 33% 
del espectro solar. Una vez que el calor es captado en la superficie, este se transmite por 
conducción a través del fluido de trabajo, el cual se encargara de calentar en agua que 
proviene del circuito secundario. 
36 
 
 
 
Ilustración 26 Tubo colector Solar al vació 
Imagen descargada de: http://wassersonne.mex.tl/servicios.html 
1.12.1.4 Tipología de colectores solares de tubos 
Tubo termosifón bifásico (TTB) (mucho más conocido por el término Heat-Pipe en inglés), o 
calo ducto; es un tubo con alta conductividad utilizado para conducir el calor de los tubos al vacío 
hasta el intercambiador de calor. 
 
Ilustración 27 Tubo de termosifón bifásico 
Imagen descargada de: http://www.vet-research.net/product-tag/solar-fin.html 
Consiste en colocar dentro de un tubo de vacío un tubo de cobre cerrado por ambos extremos 
en cuyo interior hay un “fluido de trabajo” que es capaz de absorber una gran cantidad de calor, el 
cual se evapora al calentarse, ascendiendo hasta el intercambiador de calor ubicado en el extremo 
http://wassersonne.mex.tl/servicios.ht#ml
37 
 
superior del tubo, una vez allí, se enfría y vuelve a condensarse, transfiriendo el calor al fluido que 
se desea calentar. 
 Este sistema presenta una ventaja en los veranos y climas cálidos, pues una vez evaporado todo 
el fluido del tubo, éste absorbe mucho menos calor, por lo que es más difícil que los tubos se 
deterioren o estallen por sobrecalentamiento. También presenta la ventaja de perder menos calor 
durante la noche, pues la trasferencia de calor, a diferencia de los paneles planos, sólo se produce 
en una dirección. 
El sistema Heat-Pipe es conveniente, ya que no depende de una inclinación mínima 
dependiendo de la zona geográfica donde sean colocados para permitir la correcta circulación del 
fluido. Este sistema es 166% más eficiente que las placas planas tradicionales con serpentín de 
cobre. 
La tecnología de tubos de termosifon bifásico se a diversificado a distintas aplicaciones de 
calentamiento, aquí se mencionan algunos. 
 Flujo directo. En este tubo de vacío, el fluido de trabajo del circuito primario pasa 
directamente a través del tubo, que está soldado a una aleta de modo similar a lo que ocurre 
en muchos tipos de captadores solares planos. El conjunto de la aleta y el tubo por el que 
discurre el fluido caloportador, el cual se encuentra atrapado en una ampolla, que lo aísla 
del exterior. 
38 
 
 
Ilustración 28. Colector solar de flujo directo. 
Imagen descargada de: http://joseperaltavalerga.blogspot.mx/2014/04/ Tubos tipo Sídney Este tubo se desarrolló como una doble ampolla, que evitase las 
posibles pérdidas de vacío a través de la unión de la unión vidrio metal. La substancia 
absorbente se deposita, directamente, sobre el lado interno del cristal debido a que la 
superficie absorbedora es cilíndrica, es necesario disponer de un reflector. Suelen tener un 
precio más competitivo y un rendimiento más bajo que otros tipos de tubo de vacío. 
 
Ilustración 29 Captador solar tipo sidney 
Imagen descargada de: https://www.construnario.com/ecotube-14-captador-solar-de-tubo-de-vacio_ferroli-espana-
slu_020165156#.WlZYhKiWbIU 
39 
 
 
 Colectores solares tipo Scott: Se trata de un tubo de cristal dentro de otro tubo de cristal, 
que realiza la función de absorbedor de la radiación solar, y sobre el que se ha depositado 
el fluido de trabajo. El fluido pasa a través del tubo interior, que de irradiado de luz solar 
por un reflector de forma cilíndrica, que ocupa la mitad dela circunferencia del tubo. Estos 
tubos no tienen ningún tipo de contacto por lo que no presentan problemas de ruptura al 
dilatarse por la diferencia de temperaturas que puedan llegar a tener. 
 
Ilustración 30 a la izquierda está el tubo tipo Scott y a la derecha está la aplicación más común que es en concentradores 
solares tipo parabólicos 
 Imagen descargada de https://guiamexico.com.mx/empresas/seenergy-mexico.html 
 Colectores solares de tipo de concentración parabólica compuesta (CPC): Los 
captadores de este tipo consisten en una serie de tubos de cristal, dispuestos entre sí por 
donde circula un fluido de trabajo, y situados sobre un reflector de forma cilíndrica, que 
concentra los rayos sobre el tubo. 
40 
 
 
Ilustración 31 captador solar tipo CPC 
Imagen descargada de: 
http://www.revis.it/catalogo/cerca/std_id_categoria=2%7Ccst_categorie_tipo=Pannelli%20solari%20sottovuoto 
Los rayos del sol llegan directamente al tubo de vacío y se dirige por medios de los espejos 
hacia ellos. La radiación directa, como también la radiación indirecta de las nubes, se transforma 
en calor. 
La transformación de la luz difusa está apoyada principalmente por el espejo de alta tecnología 
CPC. El calor se traspasa directamente al agua dentro de los tubos colectores. Por el alto factor de 
aislamiento térmico del vacío alrededor del colector no puede salir calor desde el sistema. 
1.12.2 Clasificación de las instalaciones solares térmicas 
Existen numerosas alternativas diseño dentro de una instalación de agua caliente sanitaria ACS 
alimentada por energía solar, 
De un modo general las instalaciones solares térmicas pueden clasificarse atendiendo a los 
siguientes criterios: 
1. Principio de circulación 
2. Sistema de expansión 
3. Sistema de intercambio 
4. Según la solución de integración con el sistema de energía auxiliar 
5. Según la aplicación 
41 
 
A continuación se desglosan las diferentes alternativas según la clasificación anterior: 
1.12.3 Clasificación según el principio de circulación. 
Esta clasificación se refiere al mecanismo mediante que se produce el movimiento del fluido de 
trabajo: 
1. Por circulación forzada. 
2. Por circulación natural. 
 Instalaciones por efecto termosifón, el movimiento del fluido de trabajo se produce por 
el cambio de densidad del fluido, como consecuencia de las variaciones en la temperatura 
al recibir radiación solar, esto provoca que su densidad disminuya y ascienda hacia la parte 
alta del circuito, mientras que el fluido frío contenido en el depósito de acumulación, con 
mayor densidad, se desplaza hacia la parte baja de la instalación por la tubería de entrada 
a los colectores solares. Así se genera una circulación del fluido que se mantiene siempre 
que exista un gradiente de temperatura entre el circuito primario y el secundario, el cual 
cesará cuando el sistema llegue al equilibrio térmico. 
42 
 
 
Ilustración 32 Sistema de intercambio por termosifón. 
Imagen descargada de: 
 https://www.download-geek.com 
/download/Manual+De+Instalacion+Calentadores+Solares+Frantor.html?aff.id=6145&aff.subid=250 
 Instalaciones por circulación forzada, en las instalaciones por circulación forzada, el 
movimiento del fluido se realiza a través de una bomba de circulación, con un caudal que 
normalmente está en el rango del doble de los termosifón y, por tanto, los saltos de 
temperatura en el fluido que pasa por los colectores suelen ser de unos 5 °C. En este caso, 
la regulación del sistema se efectúa por medio de un control diferencial de temperaturas 
entre la parte inferior del depósito de acumulación y la salida de los colectores, el control 
diferencial compara, mediante dos sondas(termopar o termostato), la temperatura que 
existente a la salida en los colectores con la parte baja del depósito de acumulación, cuando 
exista una diferencia de temperatura definida por el usuario, se accionarán las bombas 
43 
 
transfiriendo así la energía captada en los colectores(circuito primario) y almacenarla 
dentro del termotanque(circuito secundario). 
 
Ilustración 33 Sistema de calentamiento solar por circulación forzada 
Imagen descargada de: http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn188.html 
1.12.4 Sistema de expansión. 
El fluido Caloportador(fluido de trabajo) que circula por el circuito primario en las instalaciones 
solares está sometido a importantes variaciones de temperaturas, que van desde temperaturas bajo 
cero, en zonas heladas, especialmente por las noches, hasta superiores a 170°C en situaciones de 
alta radiación y nulo consumo, como consecuencia de estas diferencias de temperatura atrae 
consigo variaciones en el volumen del fluido Caloportador por ello es necesario disponer de 
elementos capaces de absorber dichos cambios. 
De entre los tipos de sistemas de expansión se utilizan: 
a) Expansión abierta: en los sistemas de expansión abierta, el fluido que circula por el circuito 
primario esta comunicado de forma permanente con la atmósfera, por lo que se deben de 
ubicar elementos del sistema de expansión (Válvulas de expansión)a una altura superior 
del punto más alto del circuito de primario solar. 
44 
 
 
Ilustración 34 válvulas de expansión, comúnmente utilizadas para evitar liberar la presión generada por el fluido Caloportador 
en el circuito principal 
Imagen descargada de http://imcosamex.com/valvula-de-expansion-tgex/ 
b) Expansión cerrada: En los sistemas de expansión cerrada, el fluido del circuito primario 
está separado físicamente de la atmósfera. En este caso, se incorpora un vaso de expansión 
que tiene una membrana elástica que divide al mismo, por un lado contiene el fluido del 
circuito primario y por el otro un gas a cierta presión. 
 
Ilustración 35 Vaso de expansión, se utiliza para absorber la presión generada por el fluido Caloportador a causa de 
temperaturas excesivas. 
 Imagen descargada de: http://imcosamex.com/valvula-de-expansion-tgex/ 
Cuando el fluido del circuito primario se calienta, se va a generar un aumento en su volumen 
y en consecuencia la presión va a crecer, es entonces cuando la contrapresión ejercida por la 
45 
 
membrana del vaso de expansión por el fluido vence la presión del gas. Este efecto trae consigo 
una deformación de la membrana dejando pasar el fluido dilatado en el interior del vaso. 
Cuando el fluido de trabajo se enfría, se produce una disminución en la presión del circuito y 
el gas del vaso ejerce contrapresión necesaria para devolver dicha presión a dicho circuito. 
1.12.5 Sistema de intercambio de calor 
Esta clasificación se refiere a la forma de transferir la energía del circuito primario de colectores 
al circuito secundario de consumo. Dicha transferencia se puede realizar de forma directa, siendo 
el fluido de trabajo de los colectores el propio de consumo, dando lugar a los llamados sistemas 
directos o manteniendo el fluido de trabajo decolectores en un circuito independiente, sin 
posibilidad de ser distribuido al consumo, dando lugar a sistemas indirectos. 
En sistemas indirectos, la utilización de un intercambiador introduce una pérdida de 
rendimiento adicional en el proceso de transferencia de calor al depósito de acumulación que puede 
minimizarse, no obstante está justificada porque puede eliminar los problemas que surgen. 
 
Ilustración 36 sistema de calentamiento solar con sistema de intercambio indirecto. 
Imagen descargada: https://www.emaze.com/@AITILORC/Energ%C3%ADa-T%C3%A9rmica-Solar 
46 
 
La utilización de un intercambiador, no obstante está justificada porque puede eliminar los 
problemas que surgen en los sistemas directos tales como corrosiones y depósitos calcáreos, 
heladas y presiones elevadas en colectores. 
Cuando se utiliza un sistema directo, es fundamental asegurarse del uso de materiales 
compatibles entre sí. Y con el agua de consumo. El agua de red normalmente contiene mucho aire 
disuelto y el oxígeno es el mayor responsable de la corrosión. 
 
Ilustración 37 calentador solar de placa plana (calentamiento indirecto) y convección libre. 
Imagen descargada: http://aqptekcnosol.com/termas-electro-solares/ 
De la misma forma en los sistemas indirectos aumenta la presencia de suciedades, 
incrustaciones calcáreas, etc. que con el tiempo van empeorando los equipos. Un sistema indirecto 
se justifica también ya que el sistema es anti heladas y finalmente el último factor que justifica el 
uso de sistemas indirectos es la presión. 
47 
 
1.12.6 Tipos de sistema Auxiliar de energía. 
La reciente creación de condominios a proliferado que la producción de agua caliente sanitaria 
en sistemas solares, en formas que no eran muy comunes partiendo de una acumulación solar 
centralizada, o distribuida, alimentan con agua caliente o precalentada a una caldera de tipo 
modulante. 
a) Acumulación solar y auxiliar centralizada. 
Hasta ahora ha sido un esquema tradicional de las instalaciones de preparación de agua caliente 
sanitaria, alimentadas por energía solar correspondiente a la disposición que se muestra en la figura. 
Este sistema plantea dos problemas fundamentales cuando se trata de instalaciones ubicadas 
en edificios de viviendas, para uso residencial: 
Requiere de mayor espacio común a utilizar ya que debe disponer no solo del espacio necesario 
para ubicar la comunicación solar, sin que también debe disponer del espacio necesario para la 
acumulación del sistema y para la caldera. 
 
Ilustración 38 Instalación solar térmica con sistema de acumulación centralizada y caldera centralizada 
48 
 
Imagen descarga de: http://www.instaltecnia.com/2011/06/sch206.html 
Presenta problemas a la hora de repartir el gasto entre los miembros. De la comunidad del 
edificio ya que no se sabe quién ha gastado más agua caliente sanitaria. Aunque desde el punto de 
vista energético puede que sea la más óptima, hay que pensar en el impacto que tiene en el usuario 
final el cual pierde confort. 
b) Acumulación Solar centralizada que alimenta a una caldera de gas natural individual 
modulante. 
Esta configuración puede considerarse la más adecuada para ser instalada en edificios de 
viviendas. Tanto por su simplicidad y bajo coste de instalación como por su rendimiento, desde 
el punto de vista de ahorro energético. 
 
Ilustración 39 captación solar centralizada con calderas individuales 
Imagen descargada de: http://tecnosolab.com/servicios/energia-solar-termica/ 
Se basa, principalmente, en una centralización de acumulación solar, que sirve agua caliente 
sanitaria a cada una de las calderas individuales ubicadas en cada vivienda. Cuando la temperatura 
del agua se igual o superior a la de la caldera no debe encenderse. En otro caso, la caldera 
suministrara el déficit de calor al edificio necesario para que el agua caliente salga hacia el consumo 
a la temperatura de utilización. 
De esta forma se consigue un ahorro importante en la preparación de agua caliente sanitaria ya 
que, en el caso más desfavorable, el agua entrara a la caldera precalentada por efecto de los 
calentadores solares. 
49 
 
c) Acumulación centralizada que alimenta a termos eléctricos 
En este caso si bien la energía auxiliar no es primaria (gas), el control es mucho más sencillo. 
En la figura. Aparece un esquema de este tipo de instalación. Para una agrupación de vivienda. No 
es necesario Preparar los termos eléctricos para el caso el caso de la acumulación solar 
centralizada, al contrario de lo que ocurre si se utilizan calderas de gas. 
 
Ilustración 40 Sistema de acumulación centralizada con termos eléctricos y calderas de apoyo 
Imagen descargada de: http://www.webquestcreator2.com/majwq/ver/miniver/1314 
1.12.7 Clasificación según la aplicación. 
1.12.7.1 Calentamiento de ACS 
La mayoría de las aplicaciones de la energía solar particularmente las que proporcionan un 
servicio que se requiere de forma continua, es decir, no solo cuando hay insolación, requieren al 
menos dos elementos que ya se han descrito anteriormente: Un colector que transforme la luz en 
calor y un sistema de almacenamiento. 
En el caso de la producción de agua caliente sanitaria, las temperaturas requeridas son del orden 
de 40 a 50 °C. Esto implica que los colectores más adecuados, son los de panel plano y los de panel 
de tubos Heat-Pipe. 
50 
 
1.12.7.2 Calentamiento de piscinas 
Normalmente las instalaciones serán mixtas, es decir, dedicadas a la producción de agua caliente 
sanitaria y al calentamiento del vaso de las piscinas. 
Las instalaciones solares para preparación de agua caliente sanitaria y el calentamiento de 
piscinas proporcionan un considerable ahorro de combustible. Los requerimientos de temperatura, 
depende del uso si la piscina es para uso deportivo, la temperatura estará en 22 °C y si la 
temperatura es para el uso de niños será de unos 30 °C. El volumen que nos encontramos es 
necesario aplicar grandes cantidades de energía para poder mantener esta temperatura. 
 
Ilustración 41 Sistema de calentamiento solar para piscinas. 
Imagen descargada: http://www.h2osoluciones.com/calentadores-solares-para-albercas-piscinas.html 
Debido a esto, y al constante incremento de precios del gas, muchos de los usuarios de sistemas 
tradicionales han dejado de utilizarlos. Para las piscinas cubiertas siempre será necesario realizar 
51 
 
calentamiento de agua con mantas de polipropileno.Debido a las bajas temperaturas de operación 
se puede utilizar colectores energía solar bastante sencillos, que solo usen tratamiento de pintura 
negra cuando se trate de una zona con buenas condiciones irradiación. 
1.12.8 Dimensionamiento de un sistema de Agua caliente 
sanitaria (ACS). 
El termino Agua Caliente Sanitaria por sus siglas en español ACS es el término que se emplea 
para referirse al agua caliente del hogar 
Normalmente una casa, suele gastar entre 12 y 16 GJ/año para calentar agua sanitaria con 
algunas pequeñas variaciones mensuales, mientras que una casa alimentada con energía solar en 
su totalidad ocupa 3.4GJ/año pero el 38% de esta cifra son perdidas de calor por lo que la cantidad 
exacta es 2.08 GJ/año. En la tabla 1 se incluyen los consumos unitarios máximos de agua caliente 
en viviendas, hospitales, hoteles, escuelas, oficinas, cafeterías, gimnasios etc. 
Un sistema solar para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) es capaz de suministrar el 
99% de las necesidades de una casa, hotel o gimnasio. Se pueden emplear los mismos colectores 
en el caso de las piscinas y de la calefacción. (Fernandez , 2010) 
Tabla 1.- Consumos estimados de agua caliente en viviendas, oficinas, hospitales, hoteles, restaurantes, cafeterías, escuelas 
gimnasios etc. (Fernandez , 2010) 
Criterio de consumo Litros/día 
Viviendas unifamiliares 40 Por persona 
Viviendas multifamiliares 35 Por persona 
Hospitales y clínicas80 Por cama 
Hoteles 100 Por cama 
Hoteles 80 Por cama 
Hoteles/Hostales 60 Por cama 
 Camping 60 Por 
emplazamiento 
52 
 
Hoteles/ Pensiones 50 Por cama 
Residencias (ancianos estudiantes etc.) 80 Por cama 
Vestuarios/ duchas colectivas 20 Por servicio 
Escuelas 5 Por alumno 
Cuarteles 30 Por persona 
Fábricas y talleres 20 Por persona 
Oficinas 5 Por persona 
Gimnasios 30 a 40 Por usuario 
Lavanderías 5 a 7 Por kilo de ropa 
Restaurantes 8 a 15 Por comida 
cafeterías 2 Por almuerzo 
Adicionalmente se tendrán en cuenta las perdidas por distribución/ recirculación del agua a 
los puntos de consumo. 
1.12.9 Criterios generales del diseño hidráulico. 
Un diseño adecuado del trazado de la conducción hidráulica, desde el sistema de captación hasta 
el sistema de acumulación, es posiblemente la clave del buen funcionamiento de una instalación 
solar térmica. Este diseño adecuado debe considerar una serie de criterios básicos, entre los que 
merecen la pena destacar: 
 Caudal: A la hora de calcular el monto aproximado de caudal de la instalación se considera 
un valor estándar, se toma un valor de circulación que varié entre 42 a 60 𝑙 ℎ𝑟⁄ por colector 
o batería de colectores en serie. 
 Longitud: Deberá cuidarse que la longitud del trazado hidráulico sea lo menor posible, 
para evitar pérdidas de calor, así como, de las pérdidas por la caída de presión generada 
por los accesorios del circuito hidráulico. 
 Diseño Equilibrado: Como punto esencial en el diseño, se debe partir como concepto de 
un circuito hidráulico equilibrado. Esto quiere decir que el recorrido lineal que se realice 
para cada uno de los colectores, o batería de colectores debe ser igual para cada uno de 
53 
 
ellos. Siempre que este recorrido lineal tenga la misma longitud, Las pérdidas de carga 
serán iguales y, por tanto, también será el mismo el caudal que pase por cada colector o 
batería de colectores. 
De esta manera se asegura que se va a producir un salto de temperatura homogéneo entodo 
el campo de colectores, y que las temperaturas de entrada y salida a cada batería serán 
iguales. 
Existen casos en que hacer un diseño equilibrado no es factible. Entonces es necesario 
diseñar un lazo de control donde las válvulas, que incorporen sensores micrométricos de 
temperatura (termopares), que se encarguen de controlar el caudal en cada punto de 
ramificación del circuito hidráulico 
 Seguridad: Se debe tener en cuenta que existen variaciones de temperatura y presión en 
el circuito que puede ser muy importantes. Por eso es imprescindible disponer en el 
diseño de la instalación de elementos que permitan la correcta expansión del fluido, Y 
dispositivos de seguridad que garanticen la integridad de la instalación antes 
sobrepresiones. 
La presencia de aire en la instalación es muy perjudicial, tanto desde el punto de vista 
de transmisión de calor, desde el funcionamiento de los captadores solares o desde la 
propia necesidad de la circulación del fluido. Por ello, es preciso que el diseño del 
circuito hidráulico haga lo posible por evitar la formación de bolsas de aire. 
Adicionalmente se debe prever que los sistemas faciliten la purga de aire de la 
instalación, ya sea durante el funcionamiento normal de la misma o durante los procesos 
de llenado y operaciones de mantenimiento de la instalación. 
54 
 
 Montaje y desmontaje: Normalmente los subsistemas hidráulicos integrados en sistemas 
solares térmicos discurren por zonas que no son de difícil o complicado acceso sino que 
traen consigo unas condiciones de manipulación elementos muy complicados. Por ello, el 
diseño debe tener en cuenta a la hora de facilitar al instalador o mantenedor las labores de 
montaje y desmontaje y de todos y cada uno de los componentes de instalación. 
1.12.9.1 Equilibrado mediante la técnica del retorno invertido. 
Tal y como se ha visto en el apartado interior, es necesario que el reparto de caudal sea 
equilibrado en los captadores. Esto provoca que, en la práctica, que el proyectista, en el momento, 
llegue estudiar el diseño hidráulico equilibrado, recurra a una técnica económica mente viable, a la 
técnica del retorno invertido. 
 
Ilustración 42 Diseño de retorno invertido 
Mediante esta técnica del retorno invertido lo que se hace es partir de una situación en la que se 
comienza con un circuito de ida donde la conducción del fluido frio se dirige hasta el colector más 
lejano para, a partir de este punto, distribuir el fluido a todos los paneles colectores de energía por 
la parte superior opuesta a la conexión de entrada, manteniendo siempre un orden contrario al 
circuito de ida, es decir el colector que primero recibe en la alimentación del fluido caloportador 
es ahora el último lugar en recoger el lugar del fluido caliente y viceversa. 
55 
 
Con objeto de minimizar las pérdidas de calor, este tipo de montaje en retorno invertido, se 
realizará siempre que sea posible, de manera que la parte más corta del circuito primario 
corresponda a los tramos de salida caliente de los colectores. 
El inconveniente con esta técnica es que el número de colectores que se pueden poner en este 
arreglo es limitado debido a la carga térmica de la parrilla de los tubos en las condiciones de caudal 
de diseño. Es por esta razón que se deben tener alternativas como son los circuitos en paralelo y 
serie 
1.12.9.2 Conexiones en paralelo. 
Mediante esta configuración, unido a un diseño hidráulico mediante la técnica del retorno 
invertido, nos podemos asegurar que todos los colectores funcionan de una manera similar. 
 
Ilustración 43 Diseño en paralelo 
Las configuraciones en paralelo pueden ser bien entre colectores puede ser considerada como 
la figura anterior o entre baterías de colectores como aparece en la siguiente figura. 
En este caso, se realiza la conexión entre baterías que a su vez están compuestas por colectores 
conectados en serie. En este caso no se recomienda la instalación de baterías con más de 5 o 6 
colectores. 
1) Configuración en serie 
56 
 
 
Ilustración 44 Arreglo de paneles en serie. 
Con este tipo de conexión la principal ventaja radica en que los caudales totales serán menores 
que la conexión en paralelo, lo cual implica que los diámetros de tuberías sean menores así como 
los recorridos y el tamaño de las bombas de circulación. 
Sin embargo tiene algunos inconvenientes dado que a medida que el fluido de trabajo pasa desde 
un colector a otro, el aporte energético que tienen estos es cada vez menor generando 
sobrecalentamiento en el último colector por el que pasa el fluido. 
Además, puesto que el trazado no es lo más idóneo para facilitar la evacuación de aire, el circuito 
se vuelve propenso a la generación de bolsas de aire. 
1.12.9.3 Materiales en el sistema hidráulico. 
Al seleccionar las tuberías apropiadas para una determinada aplicación hay que tener en cuenta 
que realmente se trata de sistemas compuestos por: 
Tuberías: son el componente fundamental, para su selección se deben tener en cuenta los 
siguientes aspectos: 
 1º Compatibilidad con el fluido. En primer lugar se cuidará que el material con el que están 
fabricadas sea compatible con el fluido a transportar, por lo que no afectarán a su composición ni 
producirán reacciones con el mismo. Los componentes del sistema de tuberías no deben modificar 
57 
 
las características de potabilidad del agua, no debe olvidarse que aunque el ACS no se beba sí está 
en contacto con las personas. 
Dentro de los materiales que se deben emplear: 
• Metálicos: 
– Acero galvanizado (solo en agua fría). 
– Acero inoxidable. 
– Cobre. 
• Termoplásticos: 
– Policloruro de vinilo no plastificado (PVC). 
– Policloruro de vinilo clorado (PVC-C). 
– Polietileno (PE). 
– Polietileno reticulado (PE-X). 
– Poli butileno (PB). 
–Polipropileno (PP). 
– Multicapa polímero/aluminio/polietileno (PE-RT). 
 – Multicapa polímero/aluminio/polietileno